光-儲微電網實訓系統及其在新能源專業教學中的應用

摘 要：針對新能源科學與工程專業本科實踐教學進行探索，在常規專業理論教學的基礎上，基于光-儲微電網（PV storage microgrid，PVSMG） 實訓系統開展光伏發電課程的各類典型實驗。通過本課程所涉及的實驗，學生對光伏發電及微電網的概念及運行方式有了更深刻的理解，激發了學生的學習興趣，提高了新能源專業課的教學效果。

關鍵詞：PVSMG;實訓系統;實踐教學

由于資源與環境的雙重危機，光伏發電作為技術較成熟的發電形式越來越受到世界各國的重視。根據《中國2050高比例可再生能源發展情景及路徑研究》報告，未來伴隨光伏發電技術突破和成本的降低，2050年將實現光伏發電裝機27億千瓦，光伏發電將與風力發電一起占我國全部發電量的64%，成為未來綠色電力系統的主要電力供應來源[1]。隨著光伏發電的高速發展，社會對光伏發電人才的需求也日益提高[2]。為光伏產業培養理論與實踐并重的工程技術人員已經成為高校人才培養工作的重中之重。目前光伏發電專業通過認識實習、生產實習與畢業實習等專業實踐課程幫助學生在學習理論的同時加深對生產實踐的認識，一定程度上彌補了高校傳統培養方式的不足。但由于課程實踐較短，出于實際安全考慮，核心崗位提供給學生的實踐機會與操作環節較少，不能較好地達到社會對人才的要求。如何開發較為先進的教學方式與實訓平臺來填補目前光伏發電課程課外實踐教學的不足，促進光伏發電專業人才培養的發展是本文將要討論的問題。本課題以PVSMG實訓系統為平臺，對光伏發電的尋日實驗、PVSMG蓄電池充電實驗、光伏發電I-V特性實驗、光伏發電系統用電器負載實驗進行了介紹，通過實驗，使學生在實驗室就可以進行光伏發電的各種典型的實驗，使光伏發電的全過程都展現在學生面前，即提高了學生對光伏發電課程的興趣，又增加了學生實際操作的機會，使學生對光伏發電知識的理解更加深刻。

1 PVSMG實訓系統

PVSMG實訓系統如圖1所示。主要從系統與軟件兩部分來進行簡要介紹。

1）系統組成。太陽能發電測量與控制實訓系統如圖1（a）所示主要由尋日機構、尋日控制單元組成。尋日機構主要包含尋日傳感器、光照度傳感器、溫度傳感器、太陽能光伏板、雙軸尋日執行電機（水平軸與垂直軸）、碘鎢燈（太陽模擬）。4塊光伏電池組件并聯組成光伏電池方陣，光線傳感器安裝在光伏電池方陣中央。2盞1KW的投射燈安裝在擺桿支架上，擺桿底端與減速箱輸出端連接，減速箱輸入端連接單相交流電動機。電動機旋轉時，通過減速箱驅動擺桿作圓周擺動。擺桿底端與底座支架連接部分安裝了接近開關和微動開關，用于擺桿位置的限位和保護。通過實訓面板上的正轉和反轉按鈕對擺桿電機轉動控制。尋日控制單元主要包括系統供電的總空氣開關、尋日控制器、碘鎢燈開關以及調光器、急停按鈕、開關電源、PLC以及繼電器、PLC接插模塊、尋日控制器以及尋日單元接插模塊。能量轉換單元主要是將光伏板發出的電通過相應的光伏控制進行轉換，來進行不同的用途，這部分主要包括能量轉換單元電壓、電流、功率表與控制單元的使用方法一樣，如圖1（b）所示。

2）軟件組成。PVSMG能量控制器的上位機軟件有兩種，觸摸屏和LABVIEW。兩種上位機通訊獨立操作。PVSMG能量控制器采集光伏和蓄電池的電壓、電流與上位機通訊，可利用兩種上位機軟件進行觀測。

LABVIEW主要分為兩個界面：數據顯示和實驗面板。數據顯示面板主要用于直觀的觀察PVSMG能量控制器采集的各個數據。控制器通過通訊協議上傳給電腦，LABVIEW將這些協議通過解析，直接顯示在界面上。

數據顯示面板通過光電傳感器，光照度傳感器和3路溫度模塊產生0-5V的變送信號送至PVSMG能量控制器的AD采樣板中以及AD采樣板自身采集太陽能和蓄電池的電壓電流，并且以一幀字符串的形式發送給LABVIEW軟件。LABVIEW軟件再將這些字符串數據經行處理轉化成數值顯示在界面程序上。

實驗面板用于控制PVSMG能量控制器的功能操作、曲線觀察和數據采集。工作模式與觸摸屏控制相同。可以通過調節功率電阻，點擊“數據采集”按鈕來采集不同電阻下的電壓和電流，并且點擊“曲線繪制”畫出曲線圖。繪制出曲線后可右擊曲線圖，選擇“導出簡化圖像”將曲線圖保存下來，便于參考。

2 光儲微電網實訓系統的實驗設置

1）尋日系統實驗。該實驗要求學生了解尋日系統及尋日傳感器的結構及原理，根據實驗提供的相關信息，通過編寫尋日程序，要求能夠正確尋日，并且限位開關有效。通過該實驗，可以加深學生對光伏發電尋日系統結構與原理的認識。

2）光伏發電蓄電池充電實驗。該實驗演示在PVSMG中負載較小，光伏發電較大時，通過蓄電池將光伏發電的多余的電能儲存起來，以備在光伏發電較小時供負載使用，在實驗過程中要求學生測量充電時的電壓與電流，通過該實驗使學生對光伏發電蓄電池充電實驗有了更加感性的認識。

3）光伏發電的I-V特性曲線實驗。光電池發出的電能直接接上直流負載，從低到高調節負載的大小，觀察光伏板發出的電的電壓、電流變化趨勢，并且畫出對應的I-V曲線。通過該實驗讓學生了解外界環境對光伏發電效率的影響以及光伏發電的負載特性。

4）光伏發電系統用電器負載實驗。光伏發電在不經過逆變裝置之前輸出的是直流電，該實驗通過DC/DC裝置將光伏發電系統發出的電能轉換為適當電壓供手機、移動電源充電、緊急電源、收音機等直流電器使用。通過該實驗使學生掌握移動設備能源供給方法以及如何利用太陽能給移動設備供電。

5）風光互補發電實訓系統。在風-儲微電網基礎上，添加風機模型與原有的風光互補控制器結合，利用變頻器條件軸流風機的轉速，吹動400W小型風機模擬風能發電。利用風光互補能量轉換單元與原有的PVSMG裝置組成風光互補實訓系統進行相應的風光互補實驗的設計。

3 結束語

光伏發電是新能源領域要求理論與實踐并重的專業方向，老師通過課堂對理論的講解之后還需要相關的實驗與實踐課程來支持。在專業教學過程中，應該從激發學生的創造型與工程意識的角度對課程與實驗進行設計，鼓勵學生應用所學的理論解決遇到的問題，加深對光伏發電原理及其應用的理解。本文基于PVSMG實訓系統教學平臺針對尋日系統實驗、光伏發電蓄電池充電實驗、光伏發電的I-V特性曲線實驗與光伏發電系統用電器負載實驗四個實驗進行了介紹。通過實驗讓學生在操作過程中對光伏發電的原理，光伏發電專業的就業崗位等有了更深刻的認識，加深了學生對理論知識的理解，增強了學生學習的興趣，較好的完成了本課程的教學目標。

參考文獻

[1]國家發改委能源研究所，能源基金會.中國2050高比例可再生能源發展情景及路徑研究[R].北京：國家發改委，2015.

[2]付在國，朱群志，張莉等.新能源發電行業面向新能源科學與工程專業人才的需求分析[J].教育教學論壇，2018（40）：112-113.

作者簡介

曹喜民（1985-），男，博士，講師，主要從事新能源發電及并網后系統穩定性分析研究及相關教學。